KR101825463B1

KR101825463B1 - 선별공정을 거친 제강슬래그 및 순환자원을 활용한 연약지반 개량용 안정화제

Info

Publication number: KR101825463B1
Application number: KR1020160067123A
Authority: KR
Inventors: 하은룡; 김은섭; 최우석
Original assignee: 주식회사 산하이앤씨
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2018-02-06
Also published as: KR20170136093A

Abstract

본 발명은, 선별공정을 거친 제강슬래그 및 순환자원을 활용한 연약지반 개량용 안정화제에 관한 것이다. 본 발명은 자력선별시 자력선별되지 아니하여 남은 철성분이 감소하고 석회 성분이 증가한 전로 제강슬래그 미분말 20~40% 중량, F급 플라이 애쉬0~30 중량%, 탈황석고 0~7 중량%, 시멘트 40~70 중량%, 알칼리 활성화제 0~0.5중량%의 퇴적토를 포함하여; 해성점토로 이루어진 해안 연약지반을 고화시킬 수 있도록 한 연약지반 개량용 안정화제에 있어서, 상기의 전로 제강슬래그 미분말은 1,500~2,000Gauss의 자력과 선별기 회전속도 9~53RPM범위의 자력선별기에 의해서 회수되지 않고 남은 전로 제강슬래그 미분말로 XRF 분석결과 CaO 함량이 33%이상이고, XRD분석결과 규산칼슘(CS) 및 철칼슘(CF) 함량이 75% 이상인 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 토양 및 광산 폐기물 처리를 위한 중금속 안정화제 생산시 거치는 전로 제강슬래그의 자력선별 공정에서 발생하는 자력선별되지 아니하여 남은 철성분이 감소하고 석회 성분이 증가한 전로 제강슬래그와 플라이 애쉬, 탈황석고와 같은 순환자원을 시멘트 혼화재로 활용하여 퇴적토와 해성점토로 이루어진 해안 연약지반을 효과적으로 고화시킬 수 있다.

Description

선별공정을 거친 제강슬래그 및 순환자원을 활용한 연약지반 개량용 안정화제{Stabilization agents for improving soft ground using steel-making slag having passed through a sorting step and recycled resources}

본 발명은 연약지반 개량용 안정화제 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 토양 및 광산 폐기물 처리를 위한 중금속 안정화제 생산시 거치는 전로 제강슬래그의 자력선별 공정에서 발생하는 자력선별되지 아니하여 남은 철성분이 감소하고 석회 성분이 증가한 전로 제강슬래그와 플라이 애쉬, 탈황석고와 같은 순환자원을 시멘트 혼화재로 활용하여 퇴적토와 해성점토로 이루어진 해안 연약지반을 효과적으로 고화시킬 수 있도록 한 선별공정을 거친 제강슬래그 및 순환자원을 활용한 연약지반 개량용 안정화제에 관한 것이다.

일반적으로 철을 생산하는 공정에서 발생하는 고로슬래그는 시멘트를 대체할 수 있는 우수한 재료로 인정받아 많이 사용되고 있으나, 제강슬래그는 제조특성상 고로슬래그에 비해 사용이 제한적으로 저부가가치인 성토 매립재로 사용되고 있다.

이에 따라 최근 많은 연구기관에서는 제강슬래그의 용도개발을 위한 연구를 활발히 수행하고 있지만 대부분의 기술개발은 제강슬래그의 종류인 전로 슬래그와 전기로 슬래그 중 전기로 슬래그에 대한 연구에 국한되어 있고, 그 원인은 전로 슬래그는 전기로슬래그나 고로슬래그와 달리 성분 중 미반응석회(유리석회, Free-CaO)로 인해 시간이 경과하면 팽창하는 특성과 수화반응에 기여하는 CaO 함유량이 낮아 수경성을 갖지 못해 콘크리트에는 사용하는데 어려움이 있다는 문제점에 있다.

관련하여, 제강슬래그를 이용한 시멘트첨가재(출원번호 10-2003-0097126, 등록번호 10-0457419, 현재 소멸)에서는 플라이애시 10~60 중량%, 무수석고 2~5 중량부, 실리카분말 8~20 중량부, 제강슬래그 분말 30~80 중량%를 혼합하여 제조되는 시멘트첨가재와, 이 첨가재 15~30 중량%와 시멘트 70~85 중량%를 배합한 원료를 활용하여 콘크리트에 사용하는 방법을 기재하고 있다. 그러나 상기 발명은 제강슬래그의 팽창성으로 인하여 사전의 에이징작업(물 속에서 반응시키는 방법, 스팀과 반응시키는 방법, 오토클레이브(autoclave) 내에서 반응시키는 방법, 노천 야적 후 바닷물 등에 의해서 자연적으로 반응시키는 방법)이 필요하다. 또한 제강슬래그가 수경성을 향상시키는 재료가 아닌 포졸란 물질로써의 혼화재로 적용되어 플라이애시와 같은 종래의 포졸란물질을 대체하기에는 경쟁력이 낮고 사용량 또한 시멘트중량 대비 25% 미만으로 제강슬래그의 사용성을 증대함에 있어서 제한적이다.

또한 산업폐기물을 이용한 연약지반 및 슬러지 처리용 고화제조성물(출원번호 10-2006-0039254, 10-0648461, 등록)에서 플라이애시 분말도 4,000/gr 이상의 30~60 중량부, 고로수쇄슬래그 분말도 4,000~6,000/gr의 10~40 중량부, 생석회 순도 90% 이상이며 분말도 4,000/gr 이상의 5~20 중량부, 무수석고 순도 90% 이상이며 분말도 5,000/gr 이상의 5~20 중량부, 시멘트는 분말도 4,000~5,000/gr의 10~40 중량부, 가리명반은 무수석고 100 중량부 대비 5~15 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업폐기물을 이용한 연약지반 및 슬러지 처리용 고화제 조성물로 활용하는 방법을 기재하고 있다. 상기 발명은 시멘트 혼화재로 고로슬래그, 가리명반 등의 순환자원을 활용하였는데 시멘트에 비하여 반응성이 떨어지는 순환자원의 문제점을 분말도를 높임으로서 해결하였다. 그러나 이미 일반적으로 시멘트 혼화재로써 활용되고 있는 고로슬래그를 활용하였다는 한계가 있으며 재료 생산시 과도한 파분쇄 공정이 필요하여 CO₂발생량 증가 및 생산성이 떨어질 수 있다는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 전로 제강슬래그 활용의 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전로 제강슬래그에 대한 선별 공정을 통해 CaO 함유량을 높힘과 동시에 미반응석회(유리석회, Free-CaO)의 활용이 가능한 연약지반 안정화에 적용할 수 있는 선별공정을 거친 제강슬래그 및 순환자원을 활용한 연약지반 개량용 안정화제를 제공하는데 그 목적이 있다.

일반적으로 전로 제강슬래그는 슬래그내의 Fe 성분을 활용하여 토양 및 광산 폐기물 처리를 위한 중금속 안정화제(SA)로 사용되고 있으며, 자력선별에 의하여 Fe 성분이 높아진 제강슬래그(SB)를 활용시 중금속 안정화 효율이 높아진다는 연구결과가 있다(2015년 중소기업청 산학연협력 기술개발사업, 중금속-비소 복합오염 토양 및 광산 폐기물 처리를 위한 무해화 소재 및 공정 개발, 경상대학교).

이때 자력에 의해 선별되지 아니하고 남은 전로 제강슬래그(SC)는 Fe성분이 줄어들고, 장기강도 발현에 기여하는 규산칼슘(CS), 및 철칼슘(CF) 함량이 증가하게 된다.(표. 1, 표. 2) 따라서 이를 활용하여 연약지반 개량시 탈수 및 장기강도 향상을 발현할 수 있어((예)생석회 말뚝공법) 시멘트의 혼화재로써의 역할을 기대할 수 있다.

일반 전로 제강슬래그(SA) 및 자력선별공정을 거친 제강슬래그(SB, SC) XRF결과)

Slag	XRF analysis (%)
Slag	SiO ₂	Al ₂ O ₃	Fe ₂ O ₃	CaO	K ₂ O	MgO	Na ₂ O	MnO	P ₂ O ₅	TiO ₂	기타
SA	19.27	4.43	31.18	32.03	0.12	4.79	0.54	3.25	2.57	0.85	0.97
SB	18.89	3.72	34.37	30.18	-	4.44	0.52	3.32	2.65	0.88	1.04
SC	19.59	5.25	27.70	33.95	0.14	5.41	0.53	3.15	2.48	0.80	0.98

일반 전로 제강슬래그(SA) 및 자력선별공정을 거친 제강슬래그(SB, SC) XRD결과)

그림. XRD 결과

따라서 본 발명은, 자력선별시 자력선별되지 아니하여 남은 철성분이 감소하고 석회 성분이 증가한 전로 제강슬래그 미분말 20~40% 중량, F급 플라이 애쉬0~30 중량%, 탈황석고 0~7 중량%, 시멘트 40~70 중량%, 알칼리 활성화제 0~0.5중량%의 퇴적토를 포함하여; 해성점토로 이루어진 해안 연약지반을 고화시킬 수 있도록 한 연약지반 개량용 안정화제에 있어서, 상기의 전로 제강슬래그 미분말은 1,500~2,000Gauss의 자력과 선별기 회전속도 9~53RPM범위의 자력선별기에 의해서 회수되지 않고 남은 전로 제강슬래그 미분말로 XRF 분석결과 CaO 함량이 33%이상이고, XRD분석결과 규산칼슘(CS) 및 철칼슘(CF) 함량이 75% 이상인 것이 바람직하다.

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이상과 같은 본 발명에 따르면, 토양 및 광산 폐기물 처리를 위한 중금속 안정화제 생산시 거치는 전로 제강슬래그의 자력선별 공정에서 발생하는 자력선별되지 아니하여 남은 철성분이 감소하고 석회 성분이 증가한 전로 제강슬래그와 플라이 애쉬, 탈황석고와 같은 순환자원을 시멘트 혼화재로 활용하여 퇴적토와 해성점토로 이루어진 해안 연약지반을 효과적으로 고화시킬 수 있다.

이하, 실시예의 의거 본 발명을 설명한다.

본 실시예는 전로 제강슬래그의 혼화재로써의 기능을 향상 및 보완할 수 있는 플라이 애쉬 및 탈황석고를 첨가함에 있어서, 그 적정 비율을 확인하고 성능을 확인하기 위함인 것이며 표 3과 같은 배합조건에 대한 강도시험을 실시하였다.

시험 배합조건

구분	배합조건(g)
구분	시멘트 (C)	제강 슬래그 ( SC )	탈황 석고 (G)	Fly Ash ( FA )	NO .	강도 증진제 (D)	대상 시료	물 (W)	W/C
C100	180	0	0	0	1	0	1200	180	1
C50-SC50	90	90	0	0	2	1
	72	72	3.6	32.4	3
			7.2	28.8	4
			10.8	25.2	5
	60	60	6	54	6
			12	48	7
			18	42	8
C60-SC40	108	72	0	0	9
	86.4	57.6	3.6	32.4	10
			7.2	28.8	11
			10.8	25.2	12
	72	48	6	54	13
			12	48	14
			18	42	15
C70-SC30	126	54	0	0	16
	100.8	43.2	3.6	32.4	17
			7.2	28.8	18
			10.8	25.2	19
	84	36	6	54	20
			12	48	21
			18	42	22

강도시험 결과 60일 양생시 배합조건 No.9~13, No.16~20에 해당하는 배합비에서 시멘트와 유사하거나 이를 상회하는 강도 및 탄성계수가 측정되었고, 특히 No.9, No.16번 배합비의 경우 시멘트와 제강슬래그만을 혼합한 배합비로 탈황석고나 Fly Ash를 조달하기 어려운 현장에서 또한 적용이 가능함이 확인된다.

이하에서는 보다 구체적으로 본 발명의 구성과 작용을 설명하면 다음과 같다.

(1) 시멘트

본 발명에서 시멘트(보통 포틀랜드 시멘트)의 시멘트 화합물(C₃S, C₂S, C₃A, C₄AF)이 수화반응으로 경화하게 되며, 이중 C₃S, C₃A는 시멘트내 화합물 중에서 가장 차지하는 비율이 크고 수화반응속도가 빠르다는 특징이 있다. 따라서 강도시험결과에서 혼합재료에 있어서 시멘트 비율이 40%이하인 No.3~8, No.13~15의 경우 초기 강도(7일)가 상대적으로 낮게 나타나며, 장기강도(28일 이후)는 주로 시멘트 외의 다른 혼합재료의 반응에 의하여 강도발현이 발생하게 되므로 이를 종합적으로 고려하였을 때, 시멘트의 구성비는 전체 혼합재료에 있어서 40~70 중량%의 범위가 가장 적정한 것으로 나타났다.

(2) 자력선별 후 선별되지 아니하고 남은 제강슬래그(SC)

본 발명에서 자력선별 후 선별되지 아니하고 남은 제강슬래그는 수화반응에 기여하는 화합물중 C₂S, C₂F 함량이 수화반응과 관련된 화합물 중 75%이상이다. C₂S, C₂F는 화합물 중에서 수화반응이 느려 장기강도(28일 이후) 반응에 주로 기여하고, 혼합재료 내의 석고 및 시멘트와 반응한다는 특징이 있다. 강도시험 결과에서도 시멘트 함량이 60% 미만이고 제강슬래그가 40% 이상이 되면 초기강도가 낮으며, 시멘트 및 석고와도 반응하기 때문에 장기강도 또한 상대적으로 낮은 것으로 나타나 제강슬래그의 구성비는 전체 혼합재료에 있어서 20~40 중량%의 범위가 적정한 것으로 나타났다.

(3) 플라이 애쉬

본 발명에서 플라이 애쉬의 주요 구성성분은 포졸란 물질인 SiO₂, AL₂O₃으로 시멘트 및 제강슬래그의 C₃S, C₂S 등이 수화할 때 생성되는 Ca(OH)2와 서서히 반응하여 불용성 칼슘실리케이트 수화물(C-S-H)이나 칼슘알루미네이트 수화물(C-A-H gel)을 형성하는 포졸란 반응이 발생한다. 따라서 플라이 애쉬는 자체적으로 반응하는 수경성은 없으므로 수화반응을 발생시킬 수 있는 시멘트와 제강슬래그가 필요하며, 따라서 플라이 애쉬의 비율은 시멘트와 제강슬래그의 구성에 따라 0~30 중량%가 적정한 것으로 나타났다.

(4) 탈황석고

탈황석고는 시멘트와 제강슬래그 내의 C₃A, C₄AF, C₂F의 수화반응에 있어서 최종 단계의 수화반응을 발생하는데 기여한다. 플라이 애쉬와 마찬가지로 자체적으로 반응하는 수경성은 없으므로 수화반응을 발생시킬 수 있는 시멘트와 제강슬래그가 필요하며, 따라서 탈황 석고의 비율은 시멘트와 제강슬래그의 구성에 따라 0~7 중량%가 적정한 것으로 나타났다.

(5) 알칼리 활성화제

반응 환경을 알칼리성으로 만들어 혼합재료들 간의 수화반응시 반응을 촉진 시킬 수 있는 재료로 주로 수산화칼슘 이나 수산화 나트륨이 많이 쓰인다. 본 발명에서의 혼합재료의 대부분을 구성하는 시멘트와 제강슬래그는 알칼리성을 나타내는 물질이므로 알칼리 활성화제의 비율은 전체 혼합재료에 있어서 0~0.5 중량%가 적정한 것으로 판단된다.

최종적으로 본 발명의 연약지반 개량용 안정화제는 자력선별시 자력선별되지 아니하여 남은 철성분이 감소하고 석회 성분이 증가한 전로 제강슬래그 미분말 20~40% 중량, F급 플라이 애쉬 0~30 중량%, 탈황석고 0~7 중량%, 시멘트 40~70 중량%, 알칼리 활성화제 0~0.5중량%의 퇴적토나 해성점토로 이루어진 해안 연약지반을 효과적으로 고화시킬 수 있는 연약지반 개량용 안정화제가 제공된다.

그리고 본 발명에서 상기의 전로 제강슬래그는 1,500~2,000Gauss의 자력으로 선별기 회전속도를 9~53RPM범위의 자력선별기에 의해서 회수되지 않고 남은 제강슬래그로 XRF 분석결과 CaO 함량이 33%이상이고, XRD분석결과 규산칼슘(CS) 및 철칼슘(CF) 함량이 75% 이상인 것이 바람직함을 알 수 있다.

이에 본 발명은, 토양 및 광산 폐기물 처리를 위한 중금속 안정화제 생산시 거치는 전로 제강슬래그의 자력선별 공정에서 발생하는 자력선별되지 아니하여 남은 철성분이 감소하고 석회 성분이 증가한 전로 제강슬래그와 플라이 애쉬, 탈황석고와 같은 순환자원을 시멘트 혼화재로 활용하여 퇴적토와 해성점토로 이루어진 해안 연약지반을 효과적으로 고화시킬 수 있다.

이상에서와 같이 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 1 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

Claims

자력선별시 자력선별되지 아니하여 남은 철성분이 감소하고 석회 성분이 증가한 전로 제강슬래그 미분말 20~40% 중량, F급 플라이 애쉬0~30 중량%, 탈황석고 0~7 중량%, 시멘트 40~70 중량%, 알칼리 활성화제 0~0.5중량%의 퇴적토를 포함하여; 해성점토로 이루어진 해안 연약지반을 고화시킬 수 있도록 한 연약지반 개량용 안정화제에 있어서,
상기의 전로 제강슬래그 미분말은 1,500~2,000Gauss의 자력과 선별기 회전속도 9~53RPM범위의 자력선별기에 의해서 회수되지 않고 남은 전로 제강슬래그 미분말로 XRF 분석결과 CaO 함량이 33%이상이고, XRD분석결과 규산칼슘(CS) 및 철칼슘(CF) 함량이 75% 이상인 것을 특징으로 하는 선별공정을 거친 제강슬래그 및 순환자원을 활용한 연약지반 개량용 안정화제.
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